密封铅酸圣阳蓄电池内阻与其性能关系

密封铅酸圣阳蓄电池内阻分析

      现在我国邮电部门已广泛采用阀控式密封铅圣阳蓄电池作为通信电源。由于这种电

池是密封的， 不像原来的自由电解液固定型圣阳蓄电池那样透明直观，又无法直接测

量电解液密度，因而给使用维护工作带来一定的困难。于是人们希望通过检测电池

内阻的办法来识别和预测电池的性能。目前进口的和国产的用于在线测量电池内阻

的 VRLA 电导测试仪已在一些部门得到应用。然而实践中可以发现，利用在线检测

阀控式密封铅圣阳蓄电池内阻(或电导)来识别和判断电池的性能并不能令人满意。本文

拟在分析电池内阻的组成、测试原理和方法的基础上，阐述这一方法的适用条件及

其局限性。

1 圣阳蓄电池内阻的组成

宏观看来，如果电池的开路电压为 V0，当用电流 I 放电时其端电位为 V，则 r ＝( V0-V)/I就是电池内阻。然而这样得到的电池内阻并不是一个常数，它不但随电

池的工作状态和环境条件而变，而且还因测试方法和测试持续时间而异。究其实质，

乃因电池内阻 r 包括着复杂的而且是变化着的成分。

理论电化学早已指出，电池在充电或放电时其端电压 V 是由以下 3 部分组成的：

(1)

式中的 IRΩ 称为欧姆极化，它是由电池内部各组件的欧姆内阻 RΩ 引起的；是

由电极 附近液层中参与反应或生成的 离子的浓度变化引起的，称为浓差极化；是

由反应粒子进行电化学反应所引起的，称为活化极化。由(1)式 可知， 宏观上测出

的电池内阻(即稳态内阻)R 是由 3 部分组成的：欧姆内阻 RΩ、浓差极 化内阻 Rc 和活化极化内阻 Re。

欧姆内阻 RΩ 包括电池内部的电极、隔膜、电解液、连接条和极柱等全部零部

件的电 阻。虽 然在电池整个寿命期间它会因板栅腐蚀和电极变形而改变，但是在

每次检测电池内阻过程中 可以认为是不变的。

浓差极化内阻既然是由反应离子浓度变化引起的，只要有电化学反应在进行，

反 应离子的浓 度就总是在变化着的，因而它的数值是处于变化状态，测量方法不

同或测量持续时间不同， 其测得的结果也会不同。

活化极化内阻是由电化学反应体系的性质决定的；电池体系和结构确定了，其

活化极化内阻 也就定了；只有在电池寿命后期或放电后期电极结构和状态发生了变

化而引起反应电流密度 改变时才有改变，但其数值仍然很小。

2 电池内阻的测量原理

2.1 直流法测电池欧姆内阻

对于平板式单电极而言，当有阶跃电流 i 流过时，其电位就会随时间 t 而变化，

当 t ＞5×10-5s 时，电位变化 η 可用下式表示［1］：

(2)

式中 Cd 表示电极附近双电层电容值，io 为交换电流密度，RΩ 为电极欧 姆内

阻，N、R、T、F、n 均为常数，其物理意义可参阅文献［1］。

(2)式等号右边的第一项 iRΩ 表示电极欧姆内阻引起的电位变化，它与时间无

关； 第 2 项表 示浓差极化随时间的变化；第 3 项表示因给电极附近的双电层电容

充电引起的电位变化，在 t→0 时其值也→0；第 4 项则表示电极反应的电化学极化，

铅圣阳蓄电池的 i0 较大 ，则 1/i0 必然很小。由此可知，当 t→0 时，η→iRΩ。

由此看来，在电池中有阶跃电流 I 流过时，电位就要发生变化；只要测出 t→0

时电 池电位的变化△V，就可以算出电池的欧姆内阻。

试验结果表明［1～2］，当电池以恒电流 I 放电时，测出其在 0.5～1ms 内电

位的 变化 △V1，则由 RΩ＝△V1/I 即可算出电池的欧姆内阻。用此法测得 3Q10 5

汽车电池欧姆 内阻 1.8mΩ，单格电池为 0.6mΩ［1］；200Ah 的 VRLA 为 0.5mΩ

［2］。

目前在一些部门使用的 VRLA 电导测试仪，其测试原理与此相似。它将已知频

率(大约为 10Hz) 和幅度的电位加在单元电池的端子上，观察相应的电流输出［3］，

用此法测取电池 的电导 (或电阻)。由于其频率较低，信号持续时间较长(100ms)，

则测得的电阻值中既含有欧姆 内 阻又含有变化着的浓差极化内阻(此时活化极化

内阻忽略了)。

2.2 交流法测电池内阻

在工作［4］中介绍了用交流阻抗法测密封铅圣阳蓄电池内阻，其交流信号频率变化

范围 为 0. 05Hz～10kHz。由于电池阻抗模与频率的对数之间没有严格的线性关系，

但在高频区(1kHz～ 10kHz)却变化较少，于是取此时的阻抗模作为电池内阻，结果

得到 6V/4Ah 密封铅圣阳蓄电池内 阻为 40mΩ。

由于电池中的电极是多孔性的，而且又是多片电极紧密并联在一起的，它的交

流阻抗等效电 路极其复杂，至今尚无法从理论上精确地解决，只能根据在平板电极

上得到的理论分析结果 近似地处理电池中的多孔性电极问题。再者从(1)式可以看

出，电池中有恒定电流流过时， 其端电位是随时间而变化的，不同的时刻测得的电

位变化中包含了不同的成分，因而用本方 法测得的电池内阻是随交流信号的频率而

变化的。

过去也曾用交流阻抗法测电池内阻，但均得不出准确的结果，其主要原因是无

3 电池内阻跟荷电态的关系

在工作［2］中采用直流电压降法对 200Ah/2V 的密封铅圣阳蓄电池欧姆内阻测试结

果如表 1 所示。对浮充状态下工作 的电池测试结果表明，在电池失效之前其容量

很少变化，欧姆内阻也变化不大；一旦电池容 量迅速下降时，其欧姆内阻也同步增

大。虽然如此，但仍然得不到电池欧姆内阻跟电池容量 (荷电态)之间的严格的数学

关系。

表 1 电池荷电态与欧姆内阻的关系

荷电态/% 100 85 68

欧姆内阻/mΩ 0.50 1.20 1.93  · 根据文献［4］采用交流阻抗法对 6V/4Ah 密封圣阳蓄电池的测试结果，在电池剩余

容量高于 4 0%时，电池的内阻(它包含了欧姆内 阻和部分浓差极化内阻)几乎是相

同的；只是在低于 40%时，其内阻才迅速增加。此结果跟文 献［2］中观察到的相

似，即密封铅圣阳蓄电池在使用过程中(电池容量高于 80%)，其内阻改变很 小；一旦电

池内阻有了显著变化，则电池的寿命也即告终止了。在电池剩余容量与内阻之间 没

有找到严格的数学关系。

4 电导法在线测量结果的分析

根据以上对单个电池的测量结果，再来观察和分析当前邮电部门使用的电导测

试仪对密封铅 圣阳蓄电池组的测试结果。